Summary
Se presenta un protocolo para la fabricación aditiva con resinas renovables fotopolímero en un aparato de estereolitografía.
Abstract
La accesibilidad de materiales renovables competitivos en costo y su aplicación en la fabricación aditiva es esencial para una economía de base biológica eficiente. Demostramos la creación rápida de prototipos de resinas sostenibles mediante una impresora 3D de stereolithographic. Formulación de resina ocurre por simple mezcla de base biológica acrilato monómeros y oligómeros con photoinitiatior y amortiguador de óptico. Viscosidad de la resina es controlado por el monómero al cociente de oligómero y se determina en función de la tarifa del esquileo de un reómetro con geometría de placas paralelas. Un aparato de stereolithographic cargado con las resinas de base biológica se emplea para producir prototipos forma complejos con gran precisión. Los productos requieren un tratamiento posterior, como enjuague de alcohol y la irradiación UV, para asegurar un curado completo. La resolución de la característica alto y excelente superficie de acabado de los prototipos es revelado por microscopía electrónica de barrido.
Introduction
Prototipado rápido permite libertad de diseño y producción bajo demanda y que la fabricación eficiente de 3D construye en forma de capa por capa1. Como resultado, la impresión 3D como una técnica de fabricación ha desarrollado rápidamente en últimos años2. Varias tecnologías están disponibles, todo depende de la traducción de modelos virtuales en objetos físicos y la aplicación de procesos como extrusión, deposición de energía directa, solidificación de polvo, laminación de hoja y fotopolimerización. Este último consiste en paso a paso UV curado de resinas de fotopolímero líquido. En 1986, casco y sus colaboradores desarrollaron el aparato de la estereolitografía (SLA), una impresora 3D basada en láser UV. Más recientemente, un proceso similar llamado luz digital (DLP) de procesamiento ha estado disponible, en que photopolymerization es iniciado por un proyector de luz. Juntos, DLP y SLA se denominan estereolitografía 3D impresión3.
SLA aplica en alta resolución de prototipos y fabricación de dispositivos biomédicos4,5. Esta tecnología es superior a la deposición fundida ampliamente utilizada modeling (FDM) en términos de precisión, acabado superficial y resolución6. Dependiendo de la arquitectura del producto, una estructura de apoyo está integrada en el modelo 3D para estabilizar la construcción durante la fabricación. Además, un tratamiento post-impresión de piezas fabricadas es necesario7,8. Por lo general, objetos impresos son lavados en un baño de alcohol para disolver resina sin reaccionar y posterior curado en horno UV se realiza para garantizar la completa conversión de la polimerización9.
En general, resinas para la fabricación aditiva basada en litografía dependen de sistemas fotocurables que contiene acrilatos o epóxidos multifuncional10. Resinas de fotopolímeros actuales en el mercado comercial son fósil y caros, mientras que la disponibilidad de resinas renovables de bajo costo es necesario para facilitar la fabricación local y libre de residuos de productos 3D sostenibles para una economía de base biológica1 , 6. recientemente, fotopolímero resinas a base de acrilatos renovables desarrolladas y aplicadas con éxito en estereolitografía 3D impresión11,12. En este protocolo detallado, demostramos la creación rápida de prototipos con resinas de base biológica sobre un aparato comercial de estereolitografía. Se presta especial atención a los pasos críticos en el procedimiento, es decir, resina de formulación y posterior impresión de tratamientos, para ayudar a los nuevos profesionales en el campo de la fabricación aditiva.
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Protocol
PRECAUCIÓN: Consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso.
1. preparación de resina fotocurables
Nota: Utilice equipo de protección personal (gafas, guantes, bata de laboratorio) durante el siguiente procedimiento. Ver nuestro trabajo anterior12 para más detalles en esta sección.
- Verter 50 g de 1, 10-Decanodiol diacrylate (SA5201) en un erlenmeyer de 500 mL.
- Agregar 1,0 g de diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) óxido de fosfina (TPO) y 0,40 g de 2, 5 -bis(5 -terc-butil-benzoxazol-2-yl) tiofeno (BBOT) al matraz.
- Equipar el matraz con un agitador mecánico y revolver la mezcla a 200 rpm por 5 min a temperatura ambiente con el fin de disolver el TPO y el BBOT en el monómero de acrilato.
- Añadir 100 g de tetraacrylate de pentaeritritol y 100 g de acrilato epoxy multifuncional (véase Tabla de materiales) a la mezcla.
- Revolver la mezcla a 200 rpm por 30 min a 50 ° C para una resina homogénea.
- Quite el agitador mecánico y coloque el matraz con un tapón. El frasco se envuelve en papel aluminio para proteger la resina de polímetro acrilato de base biológica (BAPR) de la luz.
Nota: El protocolo se puede detener aquí. - Cubrir la placa inferior de un reómetro con geometría de placas paralelas con la photoresin.
- Ajustar el espacio entre las placas a 1 mm y cubrir el Reómetro con capucha resistente a UV.
- Medir la viscosidad de la resina a temperatura ambiente a velocidades de corte de 0,1 a 100 s-1; por ejemplo,0.100, 0.126, 0.158, 0.200, 0,251, 0,316, 0.398, 0.501, 0.631, 0.794, 1.00, 1.26, 1,58, 2.00, 2.51, 3.16, 3.98, 5.01, 6.31, 7.94, 10.0, 12.6, 15.8, 20.0, 25.1, 31.6, 39.8, 50.1, 63.1, 79.4 y 100 s-1.
2. Stereolithographic impresión 3D con biobásicos Acrylates
Nota: Vea nuestro trabajo anterior12 para más detalles en esta sección.
- Encienda la impresora 3D de SLA y selecciona modo abierto.
- Inicie el software de preparación de la modelo en una computadora. Elija la configuración de impresión: material (claro), versión (V4) y espesor de la capa (50 μm).
- Abra el modelo digital del prototipo en forma de complejo, un archivo de lenguaje (.stl) mosaico estándar (véase Archivo de codificación complementaria) y elija la ubicación y orientación en la plataforma de la construcción. Subir el trabajo de impresión desde el software de preparación de la modelo a la impresora 3D de SLA.
Nota: Dependiendo de la arquitectura del producto, una estructura de soporte puede integrarse en el modelo 3D para estabilizar la construcción durante la fabricación. En el caso del prototipo en forma de complejo demostrado aquí, una estructura de apoyo no es necesaria si impreso normal a la dirección de construcción. - Verter 200 mL de la base biológica photoresin en un tanque de resina. Abrir la impresora 3D y Monte bien el tanque de resina.
- Montaje de la plataforma de construcción y cierre la impresora 3D.
- Iniciar el trabajo de impresión.
- Permita que la impresora 3D fabricar prototipos en forma complejas. No abra la impresora hasta que haya terminado el trabajo de impresión.
Nota: Antes de imprimir, asegúrese de que esté nivelada la impresora 3D. Para el protocolo demostrado, la longitud de onda del láser UV es 405 nm. El tiempo de impresión del objeto es h 2,5.
3. después del tratamiento de 3D imprimir objetos
Nota: Utilice equipo de protección personal (gafas, guantes) durante el siguiente procedimiento.
- Una vez terminado el trabajo de impresión, abra la impresora. Retire la plataforma de la construcción, con las piezas producidas adjuntadas y cierre la impresora.
- La estación de lavado, llenada de alcohol isopropílico e inserte la plataforma de la construcción. Iniciar el procedimiento y enjuague durante 20 min eliminar cualquier resina sin reaccionar.
- Una vez finalizado el procedimiento de lavado, retire la plataforma de la construcción de la estación de lavado y separe los prototipos de la plataforma de la construcción.
- Seque los prototipos a aire durante 30 minutos. Mientras tanto, precalentar el horno UV a 60 ° C.
Nota: Precalentamiento tendrá por lo menos 15 minutos. La longitud de onda de UV del horno es 405 nm, idéntica a la longitud de onda del laser de SLA. - Abrir el horno UV y colocar rápidamente los prototipos de la plataforma giratoria. Cierre el horno UV y curación durante 60 min a 60 ° C para asegurar la conversión completa.
- Cuando termine el procedimiento post curado, abrir el horno UV y quitar los prototipos.
4. Caracterización de la morfología superficial de prototipos en forma de complejo
Nota: Vea nuestro trabajo anterior12 para más detalles en esta sección.
- Cortar aprox. 1 cm de hélice interna del prototipo en forma complejo utilizando una hoja de afeitar.
- Coloque la muestra en el portamuestras con la cinta conductiva de carbón de doble cara.
- Antes de la proyección de imagen, capa de la muestra con 30 nm Pt/Pd (80: 20) en un sistema de pulverización catódica.
- Inserte la muestra en un microscopio electrónico de barrido operando a un voltaje de aceleración de 5 kV. Adquirir varias imágenes de la muestra a 30 X y 120 aumentos.
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Representative Results
Cuatro composiciones de resina representativos se muestran en la tabla 1, junto con su contenido de carbono promedio de base biológica (A.C.) derivada de el BC individual de los componentes. La viscosidad de la resina (figura 1) está influenciada por la proporción de monómeros de acrilato y oligómeros y típicamente demuestra comportamiento newtoniano. Las propiedades mecánicas de piezas fabricadas de varias resinas fueron determinadas por análisis de tensión. La figura 2 muestra el resultado representativo en una máquina de ensayos universal en términos de E-módulo y resistencia a la tracción. El efecto del tratamiento post-impresión sobre el rendimiento del producto se muestra en la figura 3. La resolución de suave superficie y de alta función de complejo en forma de prototipos es revelada por el microscopio electrónico (figura 4). La medida de la fisuración superficial se relaciona con la viscosidad de la resina inicial.
| Resina | TPO | BBOT | SA5102 | SA5201 | SA5400 | SA7101 | A. C. |
| % w/w | % w/w | % w/w | % w/w | % w/w | % w/w | % | |
| BAPR-Α | 0.40 | 0.16 | 20 | 40 | 40 | 67 | |
| BAPR-Β | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 64 | ||
| BAPR-Γ | 0.40 | 0.16 | 20 | 40 | 40 | 44 | |
| BAPR-Δ | 0.40 | 0.16 | 60 | 40 | 34 |
Tabla 1: R formulación de resina de acrilato enewable. Características de bioacrylate representante de resinas, con contenido de carbono de composición y la base biológica de resina.
Figura 1: comportamiento reológico de las resinas de acrilato renovables antes de la impresión 3D. Viscosidad en función de la tasa de corte para muestras BAPR sin curar. Figura está adaptada con el permiso (copyright 2018 American Chemical Society). 12 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: comportamiento mecánico de los productos 3D, fabricado a partir de varios bioresins por un aparato de estereolitografía. Resistencia a la tracción (rojo) y módulo de Young (cian) de piezas producidas de curado BAPRs. Las barras de tracción (ISO 527-2-1BA) fueron impresos normal a la dirección de construcción. Barras de error indican la desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: influencia de post-impresión tratamiento en el funcionamiento mecánico de los productos 3D. Resistencia a la tracción de piezas producidas post tratados en diversas condiciones. Las barras de tracción (ISO 527-2-1BA) fueron impresos normal a la dirección de construcción. Barras de error indican la desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: representación Visual y microscópica de prototipos en forma de complejo fabricado a partir de varios bioresins por un aparato de estereolitografía. (A) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-α (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). (B) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-β (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). (C) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-γ (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). (D) foto del prototipo de Torre Torre impreso con BAPR-δ (arriba) y SEM imágenes de hélice interna correspondiente (parte inferior). Figura está adaptada con permiso (copyright 2018 American Chemical Society)12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Fabricación aditiva se aplica en la fabricación de prototipos a medida y pequeñas series, cuando los mayores costos de producción por parte pueden competir con los procesos convencionales ya no es necesario para la producción de moldes y herramientas. En la última década, los ingresos de servicios y productos relacionados con la fabricación aditiva han crecido de manera exponencial13. La fracción más grande de las ventas de material es de fotopolímeros. El crecimiento atrajo atención e inició las inversiones de las principales industrias, por ejemplo, aeroespacial, automotriz, médica. Por lo tanto, el campo de la impresión 3D se pretende ampliar en los próximos años.
Hemos demostrado un método eficiente para la fabricación precisa y demanda de productos sustentables con resinas renovables fotopolímero en una impresora 3D de stereolithographic. El uso de los acrilatos de bajo costo base biológica como el principal componente hace estas resinas potencialmente coste-competitivo con respecto a sus contrapartes comerciales. Por otra parte, las formulaciones de bioresin fueron aplicadas con éxito en un 3D de SLA estandarizado proceso de impresión, de tal modo usando el mismo procedimiento y ajustes aplicados para resinas comerciales. La viscosidad de la resina de acrilato es un parámetro esencial en el proceso de impresión 3D y es controlada por el monómero al cociente del oligómero. Por lo general, se logra una tasa de corte de 100 s-1 durante el decubrir de resina líquida en el proceso impresión14,15. En esta región, los bioresins tienen una viscosidad por debajo de 5 Pa·s (figura 1) y son apropiados para aplicación en equipos de impresión de stereolithographic.
Fabricación aditiva basada en litografía es reconocido por su excelente calidad superficial y precisión en comparación con FDM y láser selectivo (SLS)16,17de la sinterización. Esto es demostrado por las imágenes fotográficas y microscópicas que representa el complejo en forma de prototipos (figura 4). Por el contrario, las propiedades mecánicas de las piezas producidas son limitadas debido a la limitada selección de materiales adecuados para el proceso de SLA18,19. Sistemas de acrilato en general muestran fragilidad y resistencia de impacto pobre debido a la densidad de alta reticulación y arquitectura de red no homogénea. En consecuencia, los materiales 3D impreso de las resinas de acrilato renovables tiene una última fuerza de 2 a 8 MPa (figura 2), que es menor en comparación con productos comerciales12. Sin embargo, optimización de la después del tratamiento, variando la duración del lavado, secado, curado y temperatura de curado, conduce a una mejora significativa en rendimiento mecánico (figura 3).
El análisis microscópico revela la característica alta resolución y excelente superficie de acabado de los prototipos producidos bajo alta ampliación (figura 4). Los dentados bordes verticales de las hélices se presentan del capa por capa SLA proceso de impresión, en el cual la parte superior de una capa expuesta recibe una dosis UV más grande en comparación con la parte posterior de una capa de8. Las grietas en la superficie de los prototipos fabricados pueden resultar de las fuerzas de contracción en el proceso de curado UV. La contracción en sistemas de acrilato resulta ser inversamente proporcional a la viscosidad de la resina20,21. Por lo tanto, el grado de fisuración (figura 4) se reduce al aplicar photoresins más viscoso (figura 1).
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este estudio fue apoyado por el centro de solicitud de polímero GreenPAC como parte del proyecto 140413: "impresión 3D en producción". Nos gustaría reconocer Albert Hartman, Corinne van Noordenne, Rens van Leeuwen, Anniek Bruins, Femke Tamminga, Jur van Dijken y Albert Woortman para facilitar el rodaje del video.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Isobornyl acrylate | Sartomer | SA5102 | Acrylate monomer |
| 1,10-decanediol diacrylate | Sartomer | SA5201 | Acrylate monomer |
| Pentaerythritol tetraacrylate | Sartomer | SA5400 | Acrylate monomer |
| Multifunctional epoxy acrylate | Sartomer | SA7101 | Acrylate oligomer |
| Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide (TPO), 97% | Sigma Aldrich | 415952 | Photoinitiator |
| 2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophene (BBOT), 99% | Sigma Aldrich | 223999 | Optical absorber |
| Isopropyl alcohol (IPA), 99% | Bleko | 1010500 | For alcohol bath (applied in Form Wash) |
| Paar Physica MCR300 | Anton Paar | - | Rheometer with parallel plate geometry |
| Form 2 Printer | Formlabs | - | Desktop SLA 3D printer |
| Form Wash | Formlabs | - | Washing station |
| Form Cure | Formlabs | - | UV oven |
| Instron 4301 1KN Series IX | Instron | - | Universal testing machine |
| Philips XL30 ESEM-FEG | Philips | - | Scanning electron microscope |
References
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